Письма в ЖЭТФ, том 92, вып. 7, с. 483-489
© 2010 г. 10 октября
Когерентное и диффузное рассеяния рентгеновских лучей на многокомпонентной сверхрешетке с квантовыми точками
В. И. Пунегов1), Н. Н. Фалеев'
Коми Научный Центр Уральского отд. РАН, 167982 Сыктывкар, Россия +Arizona State University, School of ЕСЕЕ, 7700 S. River Parkway, AZ 85284, Tempe, USA
Поступила в редакцию 13 июля 2010 г.
После переработки 23 августа 2010 г.
Методом высокоразрешающей рентгеновской дифрактометрии исследованы GaAs-AlAs сверхрешетки (CP) с InAs квантовыми точками (KT), выращенные методом молекулярно-пучковой эпитаксии. Экспериментально обнаружено, что максимумы сверхструктурного диффузного рассеяния на KT не совпадают с угловыми положениями когерентных сверхструктурных сателлитов. Для объяснения этого эффекта разработана статистическая теория дифракции на CP с учетом пространственной корреляции KT. В рамках этой теории показано, что пиковые значения диффузной составляющей могут не совпадать с максимумами когерентного рассеяния. Проведено численное моделирование рассеяния рентгеновских лучей на многокомпонентной CP, результаты расчетов сравниваются с экспериментальными данными.
Эпитаксиальные самоорганизованные квантовые точки (КТ) являются уникальными объектами с точки зрения электронных, оптических и структурных свойств полупроводниковых систем [1]. В структурном плане КТ являются одним из видов локальных искажений строгого трансляционного порядка кристаллической решетки [2]. Поэтому в рентгеновской дифрактометрии КТ играют роль структурных дефектов и являются источниками диффузного рассеяния. Во всех рассмотренных моделях [3-6] и имеющихся экспериментальных данных [5-10] диффузное рассеяние рентгеновских лучей от модулированных искаженных кристаллов, включая сверхрешетки (СР) с КТ, возникает вокруг сверхструктурных сателлитов когерентного рассеяния.
В данной работе представлены экспериментальные результаты, которые показывают, что максимумы диффузного рассеяния сдвинуты относительно когерентных сверхструктурных сателлитов на некоторое угловое расстояние, определяемое параметрами КТ и прилегающих к ним эпитаксиальных слоев. Объяснению этого, ранее ненаблюдаемого эффекта, посвящена настоящая работа.
СаА8(001)-СаАз-АЮаА8-А1А8 гетероструктуры лазерного типа были выращены методом молекуляр-но-пучковой эпитаксии на точно ориентированных (001)СаАв подложках. Схематическое изображение исследуемых гетероструктур показано на рис.1.
Основные слои - Л1.гСа1 гАь (жа1 ~ 0.64, толщина (Т) и 1.2 мкм), СаАв (Т и 120 нм), а также тонкие
^ e-mail: vpuiiegovedm.komisc.ru
слои GaAs и AlAs в короткопериодных (Tsl ~ 3.6 нм) сглаживающих сверхрешетках растились при температуре ибОО°С, тогда как InAs КТ и слои GaAs, непосредственно прилегающие к ним (и 5 нм нижний и «2.5нм верхний), осаждались при температуре и480°С; поток мышьяка при осаждении КТ уменьшался в несколько раз с помощью регулируемого клапана на эффузионном источнике. Скорость осаждения InAs составляла и 0.03^0.032 мл/с.
Для увеличения однородности вертикального размера КТ температура подложки после осаждения верхнего прилегающего слоя GaAs повышалась до и 600 °С с целью удаления выступающей верхней части КТ [11]. Затем наращивался слой GaAs толщиной и 5.0 нм, на котором формировалась коротко-периодная AlAs(l.l HM)/GaAs(2.5 нм) сглаживающая сверхрешетка (9 пар слоев). В исследованных сверхструктурах общее количество периодов с InAs КТ составило 3, б и 10; полный период слоев с КТ для первых двух образцов (3 и б периодов) составил и 54 нм, для третьего образца (10 периодов) и48нм.
Рентгенодифракционные измерения проводились в Университете Делавера, США (University of Delaware, USA) на высокоразрешающем дифракто-метре XPert-MRD (PANalytical) с многослойным фокусирующим зеркалом, 4-кратным Ge(220) моно-хроматором бартелевского типа, обеспечивающим расходимость падающего излучения и12угл.с, и трехкратным Ge(220) анализатором с приемной угловой апертурой и7^8угл.с. Использование рентгенооптической схемы с бартелевским монохро-матором обеспечивает высокую монохроматизацию
Рис.1. Схема гетероструктуры с многокомпонентной сверхрешеткой. Справа на вставке: схема структуры многокомпонентного периода сверхрешетки с квантовыми точками
0.04
-0.04
(a) - j \ Y
. cSi о. С; 3) »О о eg Бю/2
ft Ч j %_J ] . I ^_
'.J: ^SL
qz (nm l)
Рис.2. Экспериментальные КРИР от образцов, содержащих: (а) - 3 ; (Ь) - 6 и (с) - 10 периодов с квантовыми точками. Контуры равной интенсивности представлены в логарифмическом масштабе, отношение интенсивностей между соседними линиями 0.237
и коллимацию падающего СиА"а1-излучения, a высокоразрешающий анализатор позволяет пространственно разделить когерентную и диффузную компоненты рассеянного излучения для детального анализа кристаллического совершенства исследуемых объектов. Отражение GaAs(004) было использовано для измерения из — 29 и из кривых дифракционного отражения, а также карт распределения интенсивностей рассеяния (КРИР) вблизи узла обратной решетки (reciprocal space maps - RSMs). На рис.2 показаны измеренные карты для образцов,
содержащих 3, б и 10 периодов с КТ. Если для СР с 3 периодами диффузное рассеяние от КТ проявляется слабо в силу малого числа дефектных слоев (рис.2а), то для двух других образцов явно прослеживается угловой сдвиг дифракционных пятен некогерентного рассеяния относительно когерентных пиков (на рис.2Ь,с сдвиг обозначен Д^зь)-
Известно, что угловое положение как когерентного, так и диффузного пиков рентгеновского рассеяния определяется значением параметра решетки отражающих атомных плоскостей [3-4]. Если парамет-
2л//,
—т+2
SL
SL
+ 1 +2
12 п/L
.0 +1^"SL -1 оф
-2 -1Ф -2
.D
hSL
(b)
Рис.3. Схематическое изображение рентгеновской дифракции в обратном пространстве: (а) Изображение распределения интенсивности рассеяния вблизи узла обратной решетки. Ь - вектор обратной решетки подложки СаАя; (Ь) схематическое изображение когерентных (слева) и диффузных дифракционных порядков от многокомпонентной СР
ры решетки обоих каналов рассеяния совпадают, то совпадают и максимумы когерентного и диффузного рассеяний. В композиционных материалах (полупроводниковые твердые растворы, сплавы металлов и т.д.) среднее значение параметра решетки определяется пространственным распределением химических элементов. Так, например, для двухкомпонентной сверхрешетки межплоскостное расстояние определяется известной формулой dsl = (dih + d2h)/(h где d\t2 межплоскостные расстояния первого и второго слоев периода CP, ¿i^ - соответственно их толщины.
Рассмотрим теперь многокомпонентную сверхрешетку, период которой состоит не из двух чередующихся слоев (АВ), а большего числа различных материалов (ABC...). Такие системы получили название политипных CP [12]. Характерным параметром такой CP является ее период, состоящий из слоев разного химического состава, а следовательно, слоев с разным параметром решетки. Пусть d - межплоскостное расстояние кристаллической подложки и dp - межплоскостные расстояния отдельных слоев периода (с учетом упругой деформации при наличии несоответствия решеток), имеющих толщину 1р, где р = 1,2 ... Р задает номер слоя, Р - число слоев в периоде СР. Тогда среднее межплоскостное расстояние
политипной CP запишется как [13]
р
¿SL = dplp/lsL, (1)
Р= i
р
где ZgL = толщина периода СР.
Р= i
Рассеяние рентгеновских лучей от кристаллов удобно рассматривать в обратном пространстве, по-
скольку дифракция происходит от атомных плоскостей, перпендикулярных вектору обратной решетки Ь. Величина этого вектора Ь = 27г/й, где d - межплоскостное расстояние подложки. Пусть ко,& - волновые векторы падающего и отраженного рентгеновских пучков (рис.За). В трехкристальной дифрак-тометрии угловое распределение интенсивности рассеяния зависит от величины проекций вектора д = = к^ — ко — Ь, задающего отклонение вектора рассеяния от узла обратной решетки [14]:
дх = (27г/А)[(зт01 + этОг) • — этОг •
= ^(27г/А)[(соз01 — сов^г) • ш + сое02 • е],
где вг}2 = 0в Т <р углы, определяющие направления падающей и дифракционной волны относительно входной поверхности кристалла, ¡р - угол скоса отражающих плоскостей к поверхности образца, А - длина волны рентгеновского излучения в вакууме, ш,е-угловые отклонения образца и анализатора в используемой схеме.
Определив среднее значение межплоскостного расстояния сверхрешетки (1), можно ввести понятие вектора обратной решетки СР Ьдь (рис.ЗЬ), величина которого Лдь = 27г/<^ь- Рентгеновское излучение, когерентно рассеянное от СР, характеризуется наличием сателлитных максимумов, расположенных в обратном пространстве на расстоянии Кп от максимума нулевого порядка, где п = 0, ±1, ±2 ... -номер дифракционных порядков, К = 2тг/1$ь.
Структура периода СР для диффузного рассеяния может отличаться от структуры периода для когерентного рассеяния (рис.4). В случае, когда СР не содержит КТ и (или) других дефектов структуры, диффузное рассеяние отсутствует. Самоорганизован-
SL period
AlAs/GaAs SL_ — InAs-QD —"
Рис.4. Модели многокомпонентной СР для когерентного (слева) и диффузного (справа) рассеяний. Толщины периодов "когерентно" и "диффузной" СР равны, однако структуры периодов отличаются. Стрелки на модели "диффузной" СР показывают распространение деформаций от КТ в вертикальном направлении и определяют дефектный участок периода СР
ные квантовые точки локально разрушают трансляционный порядок в определенном объеме кристаллической системы. В процессе дифракции эти нарушения (дефекты) случайным образом изменяют фазы рентгеновских волн и становятся источниками диффузного рассеяния [15,16]. Важной особенностью таких структур является то, что источники диффузного рассеяния (КТ и распространяющиеся от них упругие деформации решетки) могут быть распределены не по всему объему СР, а только в определенных ее участках. Толщина этих дефектных участков, а следовательно, и композиционный (химический) состав могут отличаться от соответствующих характеристик периода политипной СР. При том, что эти участки чередуются по
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.